Phớt khí so với phớt áp suất ướt
Aug 22, 2025
Phớt khí so với phớt áp suất ướtVới các quy định về môi trường ngày càng nghiêm ngặt, công nghệ bịt kín khí vẫn đóng vai trò quan trọng trong việc đảm bảo hoạt động an toàn, đáng tin cậy và bền vững của máy bơm, máy trộn và thiết bị quay. Bôi trơn bề mặt đầu bằng khí khô mang lại những lợi thế đáng kể, đảm bảo độ tinh khiết cao của sản phẩm và không phát thải. Công nghệ này đã giảm thiểu hiệu quả lượng khí thải độc hại trong những năm qua. Ước tính trong 31 năm qua, khoảng 105.000 phớt khí không tiếp xúc đã được bán ra, với tuổi thọ trung bình là sáu năm. Điều này đồng nghĩa với việc có thể tránh được khoảng 272,2 triệu pound (123,4 kg) khí thải độc hại thông qua công nghệ không phát thải. Công nghệ Kiểm soát Khả dụng Tối đa (MACT) là một công cụ then chốt để đạt được những mục tiêu này. Cục Quản lý Chất lượng Không khí California (AQMD) ước tính lượng khí thải hàng năm từ các máy bơm quy trình hóa chất/lọc dầu là 432 pound (khoảng 200 kg), trong khi dữ liệu mới nhất từ Cơ quan Bảo vệ Môi trường Hoa Kỳ (EPA) cho thấy con số này lên tới 2.200 pound (khoảng 900 kg) cho mỗi máy bơm. Ngay từ năm 1993, công nghệ này đã được chứng minh là tiết kiệm 500 đô la cho mỗi phớt (với chi phí điện là 6 xu/kilowatt-giờ). Ngày nay, với chi phí năng lượng tăng lên 10–16 xu/kilowatt-giờ, mức tiết kiệm năng lượng hàng năm cho mỗi phớt đã đạt 1.350 đô la. Hình 1 So sánh mức tiêu thụ năng lượng giữa phớt khí và phớt ướt Hình 2. Mẫu bề mặt rãnh xoắn ốc điển hình và độ dốc áp suất được tạo ra bởi các rãnh Hiện nay, có nhiều giải pháp bịt kín khác nhau để giảm phát thải. Sau đây là bảng xếp hạng khả năng kiểm soát khí thải trên thiết bị quay, được sắp xếp từ tốt nhất đến kém nhất:● Phớt khí kép áp suất cao, không tiếp xúc● Phớt chất lỏng áp suất kép● Phớt kép không áp suất với lớp chắn chất lỏng● Phớt kép không áp suất với phớt chắn tiếp xúc/không tiếp xúc khi chạy khô● Phớt đơn có tay áo● Con dấu đơn● Niêm phong nhồi Sự phát triển của công nghệ làm kín trong bơm chất lỏng Máy bơm chất lỏng đầu tiên Sử dụng vật liệu đệm sợi phủ sáp hoặc than chì để bịt kín rò rỉ trục, nhưng phương pháp này sinh nhiệt và rút ngắn tuổi thọ. Các vòng đèn lồng đục lỗ được đưa vào sử dụng để cải thiện khả năng bôi trơn và làm mát. Bôi trơn tốt giúp kéo dài hiệu quả tuổi thọ của bề mặt trượt. Những hạn chế này đã dẫn đến sự phát triển của phớt trục cơ học, vốn đòi hỏi sự bôi trơn hiệu quả. Những tiến bộ trong lĩnh vực ma sát học và kỹ thuật chất lỏng đã tối ưu hóa hơn nữa hệ thống bôi trơn phớt. Các nhà sản xuất đã thiết kế các cấu trúc mặt đầu chịu áp suất và mài mòn, một số thậm chí còn sử dụng biến dạng để tăng cường bôi trơn và giảm mài mòn. Các mặt phớt được mài và đánh bóng mang lại khả năng chịu áp suất, ma sát và mài mòn tuyệt vời. Bôi trơn bề mặt phớt bằng chất lỏng được áp dụng rộng rãi do tính ổn định dưới áp suất cao, khả năng chịu nhiệt và khả năng tương thích với chất lỏng trong quy trình. Sự phát triển của công nghệ rãnh xoắn ốc Giáo sư khoa học ma sát người Hà Lan Evert Muijderman là người tiên phong trong việc sử dụng mô hình rãnh lặp lại trong máy siêu ly tâm. Công nghệ này sau đó đã phát triển thành phớt cơ khí và được sử dụng lần đầu tiên trong máy bơm hơn 30 năm trước. Chức năng không tiếp xúc đạt được thông qua một hoa văn trên một bề mặt làm kín. Khi trục quay, hoa văn này tách các bề mặt làm kín, loại bỏ ma sát. Khí trơ (như nitơ) được sử dụng làm khí chắn, ở áp suất cao hơn áp suất quy trình từ 20 đến 30 psi, đạt được mức phát thải bằng không. Rãnh xoắn ốc thường có các rãnh xoắn ốc logarit được gia công trên một bề mặt làm kín (thường được làm bằng vật liệu cứng hơn). Khi trục quay, khí được hút vào rãnh, bị nén bởi lực cắt nhớt, sau đó giãn nở tại đập làm kín, tạo ra một khe hở vài micron giữa hai bề mặt làm kín. Hiệu ứng áp suất tĩnh trong thời gian ngừng hoạt động giúp giảm thiểu hư hỏng bề mặt làm kín. Phớt rãnh xoắn ốc đầu tiên là các rãnh đơn hướng trên đường kính ngoài của một mặt đầu cố định. Do tốc độ bơm quy trình thấp hơn nhiều so với máy nén turbo (chỉ từ 1200 đến 3600 vòng/phút), nên cần vật liệu bền hơn, thiết kế rãnh tiên tiến, tải trọng lò xo và ma sát vòng chữ O thấp hơn để cải thiện hiệu quả tách bề mặt phớt. Ứng dụng công nghệ rãnh xoắn ốc Năm 1992, một nhà sản xuất polymer đã triển khai thành công phớt khí khô không tiếp xúc trong máy bơm, bảo vệ hiệu quả độ tinh khiết của sản phẩm và môi trường. Trong 30 năm qua, công nghệ này đã được sử dụng rộng rãi trong các thiết bị như máy bơm, máy trộn, quạt và máy thổi, hoạt động trong nhiều điều kiện tốc độ, áp suất, nhiệt độ và tải trọng chất rắn khác nhau. Hình 3 cho thấy con dấu không tiếp xúc áp suất kép đầu tiên được lắp đặt trong máy bơm ly tâm đường kính lớn. Hình 4 minh họa một phớt khí không tiếp xúc phù hợp với các lỗ khoan tiêu chuẩn ANSI và DIN, có vòng đệm khớp nối dạng xoắn ốc và khí chắn trơ. Hình 5 cho thấy cấu hình phớt tương tự nhưng bổ sung thêm một ống thoát cho các điều kiện xử lý có tải trọng chất rắn lên đến 30%. Hình 3: Phớt áp suất kép, không tiếp xúc đầu tiên được lắp trên máy bơm quy trình, khoảng năm 1992 Hình 4: Phớt bôi trơn bằng khí, không tiếp xúc cho khoang phớt lỗ tiêu chuẩn Hình 5: Khoang đệm kín tiêu chuẩn, không tiếp xúc, bôi trơn bằng khí Công nghệ này sau đó được mở rộng sang máy trộn và thùng chứa, được sử dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp dược phẩm, chế biến thực phẩm và hóa dầu để đảm bảo độ tinh khiết của sản phẩm. Các nhà thiết kế cũng đã phát triển các rãnh xoắn ốc trên vòng sơ cấp carbon để thích ứng với điều kiện tốc độ thấp và độ lệch trục cao, đạt được cả lực nâng thủy động và thủy tĩnh. Hai mươi năm sau, thiết kế phớt được nâng cấp hơn nữa để đáp ứng nhu cầu áp suất cao hơn và các quy trình chứa chất rắn. Hình 7 cho thấy một phớt mới được thiết kế cho máy bơm ANSI đường kính lớn, mang lại khả năng xử lý chất rắn và hiệu suất được cải thiện. Phát triển mới nhất là phớt khí thích hợp cho hoạt động ở nhiệt độ cao (lên đến 800°F / 425°C). Phớt ống kim loại, được thể hiện trong Hình 8, cung cấp lực lò xo, điều chỉnh chuyển vị dọc trục và truyền mô-men xoắn hiệu quả. Ống hoạt động như một bộ phận làm kín động, hỗ trợ nhiều tổ hợp phớt thứ cấp. Phớt có tính năng cân bằng áp suất và vận hành ngược để ngăn ngừa rò rỉ chất lỏng quy trình. Hình 6: Máy trộn không tiếp xúc, bôi trơn bằng khí Hình 7: Phớt bôi trơn bằng khí, không tiếp xúc cho vật liệu rắn và áp suất cao Hình 8: Phớt bôi trơn bằng khí, không tiếp xúc dùng cho dịch vụ nhiệt độ cao Ứng dụng công nghệ rãnh xoắn ốc Trong tất cả các cấu hình phớt kép chịu áp suất, áp suất chất lỏng chắn cao hơn áp suất quy trình được bịt kín. Phớt khí kép khác với các cấu hình phớt chịu áp suất khác ở chỗ nó không dựa vào sự lưu thông chất lỏng giữa các phớt, mà thay vào đó dựa vào nguồn khí trơ bên ngoài để tạo áp suất cho buồng phớt. Theo API 682, Phiên bản thứ tư, sơ đồ đường ống tương ứng cho loại phớt này là Sơ đồ đường ống 74. Hình 9 thể hiện sơ đồ cơ bản của sơ đồ này. Hình 9 Sơ đồ đường ống API 74 - API 682 Phiên bản thứ tư Hệ thống làm kín hoạt động bằng cách cho phép chất lỏng chảy từ vùng áp suất cao đến vùng áp suất thấp. Phớt cơ khí giảm thiểu rò rỉ qua các bề mặt làm kín và vòng chữ O, đồng thời duy trì một khe hở nhỏ để ngăn ngừa quá nhiệt. Khe hở này cho phép chất lỏng áp suất cao chảy ra khí quyển. Phớt chắn khí khô sử dụng khí trơ được điều chỉnh (như nitơ) ở áp suất cao hơn áp suất quy trình từ 30 đến 50 psi để tạo ra một lớp bịt kín. Nitơ thường được sử dụng làm khí chắn do tính tương thích và giá cả phải chăng. Nitơ thường được cung cấp từ đường ống nitơ áp suất cao hoặc từ bình nitơ, nhưng cách này kém tin cậy hơn. Nếu áp suất nitơ không đủ, có thể sử dụng bộ tăng áp khí. Hệ thống điều khiển phải điều chỉnh áp suất, lọc khí chắn và theo dõi áp suất cũng như lưu lượng để ngăn ngừa quá áp. Do khoảng cách cực nhỏ giữa các bề mặt bịt kín, khí phải được lọc đến kích thước nhỏ hơn 1 micron. Lưu lượng kế theo dõi lưu lượng khí, trong khi bảng điều khiển API Plan 74 được trang bị bộ truyền tín hiệu để liên tục theo dõi trạng thái bịt kín. Thông số quan trọng là áp suất khí chắn được cung cấp cho bịt kín. Ưu điểm của phớt khí cho người dùng cuối Mặc dù phớt khí có nhiều ưu điểm trong thiết bị bơm, vẫn còn một số hiểu lầm liên quan đến việc lựa chọn giữa cấu hình phớt kép chịu áp ướt và khô. Phớt chịu áp ướt dựa vào chất lỏng chắn (như API Plans 53A/B/C và 54) để bôi trơn và làm mát, trong khi phớt khô chịu áp sử dụng khí và chỉ cần xử lý sơ bộ tối thiểu. So sánh chi phíChi phí cơ bản của băng cassette phớt ướt và phớt khô tương đương nhau. Phớt ướt cần nitơ, chất lỏng sạch, hệ thống dây điện, nước làm mát và nguồn điện cho bơm và quạt; trong khi phớt khô chủ yếu dựa vào nitơ và kết nối điện; nếu cần tăng áp, chúng chỉ cần nguồn điện cho bộ tăng áp nitơ. Khả năng tương thích của chất lỏng rào cảnPhớt ướt có yêu cầu tương thích cao hơn với chất lỏng chắn, điều này có thể ảnh hưởng đến chất lượng quy trình. Phớt khô sử dụng nitơ trơ, thường không gây ra vấn đề về tương thích. Giám sát và bảo trì hệ thốngPhớt ướt đòi hỏi phải bổ sung chất lỏng chắn thường xuyên và bảo trì bộ trao đổi nhiệt. Phớt khô đòi hỏi phải theo dõi áp suất chắn và nguồn nitơ dự phòng để đảm bảo độ tin cậy của hệ thống. Mặc dù lưu lượng khí cao với phớt khô cần được nghiên cứu, việc tiếp tục vận hành nhìn chung có thể chấp nhận được miễn là áp suất chắn vẫn ổn định. Tiêu thụ năng lượng và kiểm soát nhiệtSo với phớt khí, phớt ướt tiêu thụ nhiều mã lực hơn và tỏa nhiệt nhiều hơn. Phớt khí cũng ít bị tăng nhiệt độ và tiêu thụ năng lượng thấp hơn. Theo thống kê, phớt ướt tiêu thụ khoảng 1.300 kWh điện và thải ra 2 tấn carbon dioxide (CO₂) mỗi năm, trong khi phớt khô chỉ tiêu thụ 350 kWh và thải ra 0,54 tấn CO₂. Trong 31 năm qua, khoảng 105.000 phớt khí đã được lắp đặt trên toàn thế giới, với tuổi thọ hoạt động trung bình sáu năm cho mỗi hệ thống, giúp tiết kiệm năng lượng tích lũy 8,6 triệu kWh, tương đương với tổng lượng điện tiêu thụ của cư dân Houston, Texas. Tính linh hoạt trong cài đặtHệ thống phớt khí loại bỏ nhu cầu lưu thông chất lỏng phức tạp, cho phép linh hoạt hơn trong việc lắp đặt các thiết bị điều khiển và giám sát. Ngược lại, phớt ướt yêu cầu lắp đặt gần thiết bị hơn để giảm tổn thất đường ống. Tính linh hoạt này đặc biệt hữu ích trong các dự án cải tạo thiết bị, tạo điều kiện thuận lợi cho việc bảo trì và sửa chữa. So với phớt tiếp xúc bôi trơn bằng chất lỏng truyền thống, công nghệ phớt khí khô không tiếp xúc giúp giảm đáng kể lượng khí thải phát tán từ bơm quy trình, tiết kiệm hàng ngàn tấn chất thải độc hại và loại bỏ nhu cầu sử dụng nước làm mát. Hơn nữa, công nghệ này còn giảm thiểu tổn thất điện năng, cải thiện đáng kể hiệu suất năng lượng và tiết kiệm khoảng 2 tấn CO₂ mỗi bơm mỗi năm. Hơn nữa, thời gian trung bình giữa các lần sửa chữa (MTBR) được cải thiện và độ tin cậy của thiết bị mang lại lợi thế đáng kể về chi phí vận hành. Công nghệ phớt bôi trơn khí khô không tiếp xúc vẫn là giải pháp lý tưởng để đạt được mục tiêu giảm phát thải và cải thiện độ tin cậy của thiết bị. Như với bất kỳ công nghệ tiên tiến nào, việc ứng dụng công nghệ này phải có cơ sở khoa học vững chắc và phù hợp với điều kiện địa phương. Việc lựa chọn và triển khai đúng đắn công nghệ này không chỉ cải thiện hiệu suất thiết bị mà còn mang lại những lợi ích kinh tế và môi trường đáng kể.
ĐỌC THÊM